直流串励电动机的建模与仿真-翻译

1、仅供个人参考 译文 直流串励电动机的建模与仿真摘要直流串励电机是需要高转矩/速度之比为机电应用的首选。本文描述了 系统的设计和实现一种开环直流电机的速度控制，这是基于一个微控制器和 IGBTSo不断尝试的设计既昂贵又费时。这样的问题就解决了这里利用模拟 工具,可以预测动态行为系统的机械和电子组件组成的。沿着纸的模拟显示 提供令人满意的协议与实验室的测量结果。简介For personal use only in study and research; not for commercial use直流串励电机牵引通常应用需要高扭矩 /速度之比的情况。这些都是电 动轮椅,高尔夫球车、升降机、起重机、

2、致动器的武器等。8。在一个典型 的应用包括人类操作员驾驶一台直流电机通过一个油门踏板或一根杆。电子系统规范电力输入一部电机按照踏板或杠杆的立场 ，习惯上被称为速度控 制。这样的一个系统应用在开环或是闭环情况下8。而闭环系统应用要求精度高,有很多情况下的开环系统就够了。本文是关于后者。一个典型的直流电机的速度控制往往具有其内在的讯号产生和处理模拟 电路和功率驱动阶段MOSFE模块由几个平行1。这个典型的控制，可改善其 模拟功能取代或优势互补与数码照片，除此之外,每个平行布置，替代mosfet 与一个单一的IGBT模块9。改进后的控制也因此结果更可靠、低成本和更 简单的生产。一种开环的数字速度控制

3、的基础上,最后提出了一种IGBTs和这 里发展起来的。本文的主要目的，不过是呈现方法论受雇于这些作者为开发 出的原型提出工作速度控制。不得用于商业用途仅供个人参考设计原型通常是实现机电由一个尝试和错误的过程，其中,大部分是非常昂贵又费时。它提出了在此可以减轻弊端，通过合理结合计算机模拟本质上 和实验室测验。结合模拟的电动马达和它的速度控制做成很简单的模型运用 为电机和/或为电子控制模块第1、8、12。这里的工作报告，详细电机模型开发的。然后，该模型为达到调整好很近 的模拟和匹配的实际性能试验台被作为测验电机。后来 ，模型的构建提出了 速度控制模型的使用厂家提供其组成的电子装置。最后 ，合模拟了

4、电机和电 机速度控制运用于精炼和调试该控制器设计，甚至在它的建模之前。如今,各种可以仿真的软件包,例如,模拟机电从MathWorks MATLAB-SIMULINK11,INTUSOF香 料,Men tor Graphics Mechatro nics Library,打个比方，PSPICE军刀从7从OrCac等。当一些这些包裹提供通用 模型的各种电力电子设备和/或机电组件的使用，其他制造商提供方便specie装置模型以及用户的发展模型。通用仿真模型通常允许快速发展；另一方面,然而,这些模型通常不能让使用者所要达到的一个与实际之间的模 拟和实际性能。关于PSPICE勺使用,制造商都提供了模型和

5、用户模型物的开 发。后者是通过延长称为模拟行为建模（ABM）7。由于这个原因,其成本相 对较低,PSPICE被用于工作报告了这里。在以前的工作，由其他作者的反弹道 导弹已应用于施工做了详细的IGBT模型3。本文采用,而反弹道导弹建 设的直流系列电动机模型,详细的IGBTs和其他电子设备为手段的厂家提供 的模型。2。对直流电机的速度控制的主要功能油门踏板为电动马达，通常是耦合机械变阻器，翻译其位置输入电压信号 反馈到速度控制。第一个函数为这个控件是因此制约的踏板信号用于去除噪 声和平滑变阻器速度突然变快或是突然变慢。使用这种速度的控制，那么其第二功能条件信号中包含的后代，也会被切 换波形输出功率

6、的电子装置。脉冲宽度调制（PWM已经成为一种普遍采用的这些波形生成方法1。第三个功能是向客户提供的转速控制所需的功率直 不得用于商业用途仅供个人参考流电机。这是进行控制的功率输出阶段通常由电力半导体元件：二极管整流器、IGBT,MOSFE等,6。第四个也是最后一个功能被认为是在这里就是提 供保护机制为控制的本身，因为电机和权限的用户。主要保护的一个列表功 能如下：1. 充分保护的启动电压。2. 在对抗绕组过载电流。3保护,防止踏板的信号的损失。4. 对于低电池电压保护。5. 保护,防止咼温。6. 缺乏保护开关信号的功率驱动门。3. 所提出的设计为一个直流电机的速度控制当前数字技术优势提供几个明

7、显的功能模拟的产生PW开关信号和处理的方法保护信号的直流电机的速度控制。一个单处理器取代模拟模块和与之 相关的几种离散组件1。控制的物理尺寸和制造成本将因此而被降低，同时 也可以提高其可靠性。图1显示一个框图为提出的速度控制。微控制器使用 这里是MC68HC8内含八8位A / D转换器。制约的踏板电路信号进行如图 2号。第一次的变阻器电压输入OpAmp1(TL084)。如果变阻器连接丢失分流电阻 Rpp确保Vcond到零。这因此实现 的功能损失的保护踏板的信号。然后 OpAm输出的1进入D1允许两种不同 的时间常数，一为加速和其他为减速。价值观与图中后者是47 ms,前者是至少738msB据R

8、。最后，通过RC电路输出注入到OpAm微控制器的第2的A / D转换器。不得用于商业用途MicftK'onimlerFig- . Proposed layout ibr a DC series motor speed control.TL084DI| W Rj IK 14.7KTL08412工 47yFILdjUSt=50KQFig+ 2. Pedal signal conditioning circuit.来产生PWM开关信号,Vcond从图2电路输入微控制器的第一个 A / D 转换器输入。因此Vcond表面256的水平，他们每个人都作为一个地址为微 控制器的E2的舞会。相应的记忆

9、细胞包含预定脉冲持续时间等。这样的脉 冲宽度的各不相同，根据Vcond 256个步骤。采用离散线性变化在这里为原 型的实施。然而，如果方便的话这种线性特征能容易地改变。首先在他们注入电源PWM信号驱动盖茨门是经过一个驱动级中包含一 个光电隔震和日”的活动。这是显示在图3。至于电力电子阶段，一个完整的 DC直流转换器与四IGBTs H-bridge并联二极管及其对应的强烈建议6。这 里的工作报告，然而，只有一个分支，这座桥是实施的形式显示在图4。这个部 门被要求去做作为下台转换器。仅供个人参考除了保护损失的踏板，另一种是执行上述保护功能以及使用电压电流传感器和温度传感器的需要。模拟信号通过传递由

10、这些装置送入微控制器通过额外的A/D转换器输入和他们的监控是由微控制器的程序。7414r， Rl 4N25FromPWM4921N4741ip31 igbt不得用于商业用途Fig, 3. Gate driver.T :Eatery_LGA150TD120UmriModule ofIGBTFig* 4. Power output stage.4利用直流系列电动机模型模拟行为模块4.1电机公式摘要机电方程，描述行为的直流系列电动机给出如下。电平衡方程在2、8:人=爲+&人+厶普(1)Vs是与两个绕组并联电压、Ea是电动势(emf),Rt总串联电阻，是当前通过绕 组和串励的电感。Is试穿过线

11、圈的电流 Lt是整个串励的电感，Ea的关系 与磁通©和角速度x是2、8£ = Kga(f)Ka是一种交流电机常数。研制的电磁转矩和直流电机上取决于Is/©以下列方式：治=心祕(3)转矩平衡方程式是2、8:兀m")=血 + R® +(4)TL型是负载转矩、B是粘滞摩擦常数和J是马达转子和轴惯性。绕组的磁 符合多种齿轮油标准，通过电流有关的磁化曲线，如下2、5:© =仙(5)函数f)是在一般包括饱和度和磁滞效应。4.2。模拟行为建模的直流系列电动机Eqs(1)-(5)提供了一个数学模型，为直流系列电动机适用于本文的目的2,5。ABM这一模

12、式被显示在图5。图5、模块1是一个串联支路对应Eq的元素。(1)。值得注意的是动势项 不得用于商业用途“Ea”是注入到这个分支从模块2由一个电压控制电压源的单位增益。 这个机构还包括在控制电压源是当前一个单位增益作为那些电流传感器。所要求的感觉到电流模块3和5在计算两个，磁通©及电磁转矩瞬变电磁法 Tem。Module1I4实际上是种磁性标准计算的中间变量，E在结合和（2） 1 Module ra d 3 :屮T«r? A占磁化特性的电动马达的通常是按了 180:6 x0 rad / s值的角速度。这个值通常相相当于电机铭牌的名义或速度。乂了 180:6 x0 radISe

13、nsot特征。根据（6）,为不同价值;牛：*>/ 3Module24I的实际上是与非线出，为实施报告了这里的迟滞被忽视了图五模学严 6指出。应当指 其输出是电动势反馈到模块1。A i除了 Ea0输入模块，另2是角速度计算模块4对应于Eq。（4）。在忽略Bx、 粘滞摩擦的术1语；这类方程产量匚仅供个人参考Fig. 6. Measured values lor the nianelization curve of an 1 lip DC series motor.很明显即从图4那模块4实现这个最后的方程。在结合 Eqs。（2）、（3）到下列表达式的电磁转矩石=必”他模型3的实现是最后一个方程

14、这四种电机模型被用来繁殖操作的一种可行的1点直流系列电动机。首先丄t,Rt和J参数测量的电机。然后，磁化特性得到了 Ea0 vs是收集了 80分, 并在图6中画出来了。接下来，所有这些数据被运用于图5模型。最后，各种 各样的实验进行了两个，同时可以解决电机和电机 ABM模型。这些实验设计 了以允许renement测量参数。ABM电机模型，此外，实际上提供了缺少某些 特殊的工具，例如:一个测功机。值的变量和参数用于模拟如下：Rt 55 mX、J 0:06对kgm2 12v（摩擦系数,A和A0）,Cp 万个低频和寄生电感Lc被忽视 了。电感简直是一个值随频率10。从上的阶跃响应以下两种数值估计的实

15、 验:IH在2100年赫兹和75 Lt 150 IH在2500赫兹。在中间的频率计算公式 不得用于商业用途是线性插值。这些幅值都列在表1。43提出了一种SPICE模型速度控制图1系统化SPICE模型，提出了直流系列电动机速度控制。它由四个基 本积木:踏板信号护发素，单片机，门司机和输出功率的阶段。除了微控制器， 所有这些模块是代表了非常详细的使用厂家提供的半导体器件SPICE模型被使用。Jdble IName 卩 lulc and men sural values of (he DC mo I orSymbolName phtcMeasuredNoinindl frequency180.6 r

16、ad/sRitltxl powtr-I hpRated voltageJ2 VRated current60 AWoundSirriesWound resisttinte局55 mfiWound inductanceISOuH Eit 2100 Hz, 75 pH at 2500 HzRotor inertiaJ0.06 kg m2表示一个详细的微控制器就没有必要，那是不现实的，除此之外，为桌上型 电脑被应用于这项工作。这是为代表的选择而不是只有通过 PWM功能的一 个矩形波发生器以其脉冲宽度被各不相同，根据256个步骤的输出信号调节 器的油门踏板。之前被注射进电动机 PWM信号模型,这些经过

17、大门的驱动 和输出功率模型。在这里，应该提及的，除了保护，防止损失的踏板信号保护功 能的微控制器及其相关电路没有被包括在这个模拟器里边。详细的图踏板信号护发素是规定图 2,而图门驱动和功率输出阶段是提供 在图3和4。用SPICE的优点为建模的访问这些块是一个庞大的图书馆的商 用设备模型4。只有模型是不能在这个IGBT模块库，但是它可以轻易地从 制造商的网络信息的网站下载。它的物理实现之前 ，速度控制香料模型进行 了测试ABM。这它的执行允许调试和调整的初步设计均匀之前。结论图7a显示。另外的稳态电流为公司制速度控制入直流系列电动机作为一 种仿真得到考虑从70%的责任周期和频率的2250赫兹。图

18、显示本。7b相同 不得用于商业用途电流测量得出的实验。需要注意的是，在这两个gures协议也是令人满意的。 图8a显示情节的稳态电流注入通过模拟一个直流电机获得50%的责任周期和频率2,100赫兹。图8b提供情节的相应的实验测量。这两个数字之间的 协议也是令人满意的。瞬态电流注入到电机启动现在得到了模拟考虑90%责任周期和频率的2500赫兹。该电流进行了图示,如图9a和相应的测量。这两个gures中不约 而同的山峰上显示的瞬态电流可以高达两倍的电机的名义电流。图10a提供了瞬态电流在启动时，它是模拟假设一个50%责任周期和频率2,100赫兹。这 gure 10b要比与相适应的瞬态电流获得了实验

19、为同一占空比和频率。+527(a)。飯300.07050.071(.Q7i5Time (S)S 一 uajunu45-1- EG-7： f®225&Hr<】 -cf-300.0720.2430.295TlflM (S)l;ig, 7. Steady sliilc uurrent ai 70%duly e>cle and 2250 Hz frequency: (d) simulaied, (b) measured.404630 5.12100 Hz31254Q0.07050.07150.072O.-071Time 9Fig. 8. Steadv stale curr

20、ent at 50% duty cycle and 2100 Hz frequent: (a) simulated, (b meEisured.Tim& 冏=D=0 5. f210b Hz电流瞬变函数图。9a和b能导致遭受严重干扰的速度控制功率输出阶段。 确定了合适的模拟中帮助的起始条件和适当的电力电子设备。模拟的另一个好处是各种各样的可能性内部变量的观测系统。图11比如显示模拟电动部不得用于商业用途仅供个人参考队为各种各样的频率和占空比，而图12显示所得到的角速率进行。Fig.13a 和b显示,模拟电磁转矩,获得了 2Nm负荷和在分别90%和50%的占空比。不得用于商业用途I'

21、;ig. 9. Tiansient state current without lead at 90'乳 duty cycle and 2500 Liz: a) simulated, (b measured.0.2Q4Q.B-0.STime (s)Fig. 10. Transient current without load at 50% duty cycle朋 斑io20(b) 01Time (s)DOB06O4Q2O1and 2.1 kHz: Ul simulated, (b) measured.仅供个人参考650.40.6Time (s)OS1Hg. 11. Simulaled

22、el eel rom olive fbru? al startup for various duty cycles and lYeqMencies,(史PE 去一DOljACQ-nBU<0.406Time (s)不得用于商业用途1 ig. 12. Simulated ngulr velocities at srartup for various duty cvcles and frequencies.仅供个人参考0=0 9. 25OT HZ. iiii Q020406QfiTi耐(s)4 3 2 (E 壬姿?010.20.40.6Time (e)0.36 5Fig, 13. Simula

23、ted torque al slmrtup with a 2 Nm load: (a) 90% duty cyck at 2500 Hz, (b) 50% duly cyck at 2100 Hz.总结一个方法来开发复杂的electronic-electromechanical原型已经作了综述。它由电脑模拟基本上是在结合与实验室检查。 这种方法得到了进一步的应用发 展中的一个转速控制，为一个1点直流系列电动机。采用仿真工具从这里 OrCAD PSPICE及其ABM实用工具。PSPICE能详细时表现的电子与电力电子模块包括制造商提供模块，ABM实用工具使精确的描述电机的机电特性。合模拟的电机和电

24、机速度控制也因 此成为可能。这里的协议之间达到模拟和实验室测试已经令人满意。以前的作品由他人，HDLA(Chee-M un, INTUSOFT, HDLA Men tor)模拟的 速度控制耦合到很简单(一分支)电机模型。ABM模型提供了更现实的占电 机的特点。它可以进一步采取其他开发者和论文提供了必要的数据重构结果 列出在这里。第三方，此外，甚至可以修改这个模型来适应这种相对轻松地用 特定的需求，为其他的发展。仿真已允许的测试和调试的速度控制，甚至之前, 它是由。例如，模拟也有帮助确立，该系统不应该开始了一个占空比均高于 50%。整体的体验和方法论是它已经帮助了大幅减少开发时间和成本。这些模

25、型中，当结合实验工作，甚至提供了缺乏可靠的专用仪器，如测功器。他们同样 能够让无法取得的变量的监测像电动势。一个显著的事实是，没有一个单一的电力电子装置被烧坏在这个项目。不得用于商业用途仅供个人参考最后，正在进行的工作是在一个完整的 H-bridge发展的速度控制，以及对 直流电机的应用，这在ABM不同尺寸提供了一些可能需要更改包括了额外 的功能，如粘滞摩擦、滞后性和频率依赖性的电感。6.参考文献1 Castag net T, Nicolai J. Digital c on trol for brush DC motor. IEEE Tran Ind Appl 1994;30 :883-8.2

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